Información

10.5A: Fisión binaria - Biología

10.5A: Fisión binaria - Biología


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

La fisión binaria es el método por el cual los procariotas producen nuevos individuos que son genéticamente idénticos al organismo parental.

Objetivos de aprendizaje

  • Describir el proceso de fisión binaria en procariotas.

Puntos clave

  • En la replicación bacteriana, el ADN se adhiere a la membrana plasmática aproximadamente en el punto medio de la célula.
  • El origen o punto de partida de la replicación bacteriana está cerca del sitio de unión del ADN a la membrana plasmática.
  • La replicación del ADN bacteriano es bidireccional, lo que significa que se aleja del origen en ambas hebras simultáneamente.
  • La formación del anillo FtsZ, un anillo compuesto por unidades repetidas de proteína, desencadena la acumulación de otras proteínas que trabajan juntas para adquirir y traer nuevos materiales de membrana y pared celular al sitio.
  • Cuando se colocan nuevas paredes celulares, debido a la formación de un tabique, las células hijas se separan para formar células individuales.

Términos clave

  • huso mitótico: el aparato que orquesta el movimiento del ADN durante la mitosis
  • cariocinesis: (mitosis) la primera porción de la fase mitótica donde tiene lugar la división del núcleo celular
  • fisión binaria: el proceso por el cual una célula se divide asexualmente para producir dos células hijas

Fisión binaria

Los procariotas, como las bacterias, se propagan por fisión binaria. Para los organismos unicelulares, la división celular es el único método utilizado para producir nuevos individuos. Tanto en las células procariotas como en las eucariotas, el resultado de la reproducción celular es un par de células hijas que son genéticamente idénticas a la célula madre. En los organismos unicelulares, las células hijas son individuos.

Debido a la relativa simplicidad de los procariotas, el proceso de división celular, o fisión binaria, es un proceso menos complicado y mucho más rápido que la división celular en eucariotas. El cromosoma de ADN circular único de las bacterias no está encerrado en un núcleo, sino que ocupa una ubicación específica, el nucleoide, dentro de la célula. Aunque el ADN del nucleoide está asociado con proteínas que ayudan a empaquetar la molécula en un tamaño compacto, no hay proteínas histonas y, por lo tanto, no hay nucleosomas en los procariotas. Sin embargo, las proteínas de empaquetamiento de las bacterias están relacionadas con las proteínas cohesina y condensina involucradas en la compactación cromosómica de eucariotas.

El cromosoma bacteriano está unido a la membrana plasmática aproximadamente en el punto medio de la célula. El punto de partida de la replicación, el origen, está cerca del sitio de unión del cromosoma en la membrana plasmática. La replicación del ADN es bidireccional, alejándose del origen en ambas hebras del bucle simultáneamente. A medida que se forman los nuevos filamentos dobles, cada punto de origen se aleja de la unión de la pared celular hacia los extremos opuestos de la celda. A medida que la célula se alarga, la membrana en crecimiento ayuda en el transporte de los cromosomas. Una vez que los cromosomas han despejado el punto medio de la célula alargada, comienza la separación citoplasmática. La formación de un anillo compuesto por unidades repetidas de una proteína, FtsZ, dirige la partición entre los nucleoides. La formación del anillo FtsZ desencadena la acumulación de otras proteínas que trabajan juntas para reclutar nuevos materiales de membrana y pared celular en el sitio. Se forma un tabique entre los nucleoides, que se extiende gradualmente desde la periferia hacia el centro de la célula. Cuando las nuevas paredes celulares están en su lugar, las células hijas se separan.

Aparato del huso mitótico

El momento preciso y la formación del huso mitótico es fundamental para el éxito de la división de células eucariotas. Las células procariotas, por otro lado, no sufren cariocinesis y, por lo tanto, no necesitan un huso mitótico. Sin embargo, la proteína FtsZ que juega un papel tan vital en la citocinesis procariota es estructural y funcionalmente muy similar a la tubulina, el bloque de construcción de los microtúbulos que forman las fibras del huso mitótico que son necesarias para los eucariotas. Las proteínas FtsZ pueden formar filamentos, anillos y otras estructuras tridimensionales que se asemejan a la forma en que la tubulina forma microtúbulos, centriolos y varios componentes citoesqueléticos. Además, tanto FtsZ como tubulina emplean la misma fuente de energía, GTP (trifosfato de guanosina), para ensamblar y desmontar rápidamente estructuras complejas.

FtsZ y tubulina son estructuras homólogas derivadas de orígenes evolutivos comunes. En este ejemplo, FtsZ es la proteína antecesora de la tubulina (una proteína moderna). Si bien ambas proteínas se encuentran en organismos existentes, la función de la tubulina ha evolucionado y se ha diversificado enormemente desde que evolucionó desde su origen procariota FtsZ. Un estudio de los componentes del ensamblaje mitótico que se encuentran en los eucariotas unicelulares actuales revela pasos intermedios cruciales para los genomas complejos encerrados en la membrana de los eucariotas multicelulares.


BIOLOGÍA DEL EXAMEN DEL PRIMER PERIODO

TEMA: BIOLOGÍA TIEMPO: 1HR 30MINS CLASE: SS 2

1.Euglena se mueve por A. acción de batir del flagelo B. batir sus cilios C. expulsar un chorro de agua D. batir los pseudópodos y los cilios simultáneamente.

2. El orgánulo que elimina el agua del cuerpo de los protozoos es A. la membrana plasmática B. la vacuola contráctil C. la pared celular D. el protoplasma.

3. ¿Cuál de los siguientes no está presente en el núcleo de una célula? Un cromosoma B. nucleolus C. mitocondria D. gen

En los organismos unicelulares, los nutrientes esenciales pueden transportarse directamente a todas las partes del cuerpo mediante el proceso de difusión solo porque los organismos unicelulares tienen A. una gran superficie de volumen B. un gran volumen de superficie C. membrana celular permeable D. membrana exterior de celulosa.

El siguiente diagrama ilustra la estructura de un organismo unicelular. Utilice la pregunta para responder el número 6-9.

5. ¿Cuál es el nombre del organismo? A. ameba B. paramecium C. euglena D. chlamydomonas

6. ¿Cuál es la función biológica de la parte III etiquetada? A. reproducción B. osmorregulación C. locomoción D. irritabilidad

7. ¿Cuál de las partes etiquetadas utiliza el organismo para la fotosíntesis? A. II B. IV C.VI D.V

8.La parte etiquetada con V se usa para A. fotosíntesis B. respiración C. excreción D .irritabilidad

9..Euglena puede clasificarse como plantas porque A. tiene cloroplasto B. tiene un esófago C. vive en el agua D. posee flagelo

10. ¿Cuál de las inclusiones celulares puede destruir otros orgánulos celulares? A. centriolo B. ribosoma C. lisosoma D. mitocondrias

11. ¿En cuál de los siguientes tejidos se producirá la ósmosis? A. ñame hervido y pelado B. ñame crudo y pelado C. ñame hervido y sin pelar D. ñame tostado y pelado

12.Spirogyra se considera una planta multicelular porque A. las células cilíndricas están unidas de un extremo a otro B. sus células están unidas entre sí por hebras citoplásmicas C. sus células son grandes D. es un alga que contiene una gran vacuola

13.El nombre de la enzima que cataliza la conversión de glucosa en glucosa-6-fosfato al comienzo de la glucólisis es A. fosfato-fructoquinasa B. glucosa isomerasa C. hexoquinasa D. glucosa-6- quina

14. ¿Cuál de los siguientes organismos es unicelular y de vida libre? A. volvox B. spirogyra

C. rhizopus D. chlamydomonas

15. ¿Qué estructura de la ameba realiza una función similar a la del riñón en los animales superiores? A. membrana celular B. vacuola contráctil C. citoplasma D. vacuola alimentaria

16.La función del ribosoma en una célula es A. síntesis de proteínas B. síntesis de almidón C. transporte de materiales D. almacenamiento de lípidos

17.La unidad fundamental del organismo vivo es A. célula B. órgano C. tejido D. nucleolus

18. El movimiento del agua a través de una membrana semipermeable desde una solución más débil a una más fuerte se conoce como A. transpiración B. difusión C. ósmosis D. hemólisis

19. ¿Cuál de los siguientes orgánulos se denomina “bahía suicida”? A. mitocondrias B. lisosoma C. cuerpo de golgi D. ribosoma.

20. Se colocó una célula de spirogyra en la solución X. Después de 1 minuto se plasmó. La solución X era A. agua del grifo B. una solución muy fuerte C. una solución muy débil D. una solución débil

21. ¿Cuál de los siguientes organismos puede existir como colonia? A. spirogyra B. ameba C. volvox Paramecium

22 El modo de alimentación en la planta verde es A. parasitaria B. saprofita C. holozoica D. holofítica

23 Se puede observar mitosis en todos ellos excepto en A. punta del brote B. uña de un hombre C. cuerno de ganado D. espermatozoide del hombre

24. La glucólisis tiene lugar en A. núcleo B. citoplasma C. mitocondria D. retículo endoplásmico

25. ¿Cuál de los siguientes no se reproduce por conjugación? A. paramecium B.mucor C.rhizopus D .amoeba

26 Todos los siguientes son tipos de reproducción asexual excepto A. Conjugación B. fragmentación C. fisión D. brotación

27. ¿Cuál de los siguientes procesos implica la formación de gametos? A. fisión binaria B. conjugación C. mitosis D. meiosis

28. ¿Cuál de los siguientes no es un orgánulo celular? A. retículo endoplásmico B. gotita de grasa C. cuerpo de golgi D. ribosoma

29. ¿Cuál de las siguientes opciones no es un tipo de respuesta? A .quimotropismo B. geotropismo

C. genotropismo D .tigmotropismo

30. Una planta que comúnmente puede experimentar propagación vegetativa por medio de hojas es A. hibiscus B bryophylum C. crotalaria D. spirogyra.

31. ¿Cuál de estos científicos no está asociado con la teoría celular? A. Felix Dujardin B. Mathias Schleiden C. Micheal Faraday D. Robert Hooke.

32 En los mamíferos, la fecundación tiene lugar en el A. ovario B. oviducto C.uterus D.vagina

33. ¿Cuál de las siguientes opciones almacena los espermatozoides? A. glándula de vaca B. epidídimo C. líquido seminal

34.El producto final de la glucólisis es ……… .. ácido A. fumárico B. pirúvico C. isométrico D.susínico.

35. La levadura se reproduce mediante un proceso llamado A .fisión binaria B. fusión binaria C. brotación D. conjugación

36 El proceso que conduce a la explosión de los glóbulos rojos colocados en una solución hipotónica se llama A. ciclosis B. hemólisis C. ósmosis D. plasmólisis

37 La respiración que requiere oxígeno se conoce como A. oxidación B. respiración aeróbica C. respiración anaeróbica D. oxidación-respiración de reducción

38. Todos los siguientes son métodos de propagación vegetativa artificial excepto A. corte B. uso de hojas modificadas C. maceración D. injerto.

39.La unidad que contiene en una estructura celular responsable de un cambio en la forma y la forma de un organismo se llama A. mitocondrias B. gen C. ribosoma D. lisosoma

40 La célula vegetal almacena principalmente alimentos como A. glucógeno B. auxina C. hormonas D. almidón

41.Todos los siguientes orgánulos tienen membranas excepto A .núcleo B .vacuolas C.membrana celular D .pared celular.

42. La pared celular de las plantas es rígida debido a la presencia de A. canbium B. celulosa C. corteza D. cloroplasto

43.La estructura responsable del transporte de materiales dentro de la célula es A. ribosoma B. membrana celular C. retículo endoplásmico D. núcleo

44. ¿Cuál de estos es un proceso anabólico? A. digestión B. respiración C. descomposición D. crecimiento.

45) En la respiración anaeróbica de la levadura, el ácido pirúvico se convierte en A. ácido etanoico B. ácido láctico C. ácido tricarboxílico D. etanol

46. ​​La respiración celular ocurre en A. cloroplasto B. vacuola alimenticia C. mitocondrias D. núcleo

47. En ósmosis, cuando la concentración de las dos soluciones se iguala, se dice que la solución es A. hipertónica B. Hipotónica C. isotónica D. neutra

48 La difusión puede verse afectada por todo lo siguiente, excepto por A. gradiente de concentración B. tamaño de las moléculas C. temperatura D. color de la solución

49. En la respiración tisular, la energía está en forma de A. difosfato de adenosina (ADP) B. glucógeno

C. almidón D. trifosfato de adenosina (ATP)

50. ¿En qué etapa de la mitosis se atraen los cromosomas hacia la A .profase media B. anafase C. metafase D. telofase

PRIMER PERIODO PREGUNTAS DEL EXAMEN DE BIOLOGÍA SS2 & # 8211 EDUDELIGHT.COM

TEORÍA RESPUESTA 3 PREGUNTAS ÚNICAMENTE.

1a.Haga un diagrama bien etiquetado de una célula vegetal típica (10-12 cm) de largo para mostrar sus características externas (4 mks).

B. Enumere cuatro formas en las que las células vegetales y las células animales se diferencian (4mks)

C. Indique una función de cada uno de los siguientes orgánulos celulares (i) cloroplasto (ii) ribosoma (iii) pirenoide (iv) mitocondria (2mks)

2a Definir (i) ósmosis (ii) Difusión (iii) plasmólisis (3mks)

B. Describa lo que sucede cuando los glóbulos rojos se dejan durante treinta minutos en (I) agua destilada (ii) solución salina con la misma concentración que el líquido citoplasmático (3 mks)

C. Explicar el proceso de ósmosis usando una célula viva (2mks

D. Explique los siguientes términos (1) respuesta táctica (ii) respuesta nástica (2mks

3a. Explique el siguiente modo de nutrición en la planta (i) fotosíntesis (ii) quimiosíntesis (2mks)

b. Escriba una ecuación química que represente el tipo de respiración que ocurre en los músculos durante un ejercicio intenso (3mk)

ci. Describe un experimento para mostrar el efecto de la plasmólisis en un filamento fresco de spirogyra (2mks)

cii. ¿Cómo se puede revertir el proceso (1mk)?

d .. Definir el término catabolismo y dos procesos biológicos que son de naturaleza catabólica (2mks)

4a.Utilice la ecuación química solo para expresar el proceso de respiración celular (2mks)

b. Nombre la estructura en una celda en la que se forma ATP (1mk)

C. En forma tabular, indique las diferencias entre la respiración aeróbica y anaeróbica (3 mks)


¡Descargar ahora!

Le hemos facilitado la búsqueda de libros electrónicos en PDF sin tener que excavar. Y al tener acceso a nuestros libros electrónicos en línea o al almacenarlos en su computadora, tiene respuestas convenientes con el Capítulo 16 de Holt Biology Directed Reading Answers. Para comenzar a encontrar el Capítulo 16 de Holt Biology Directed Reading Answers, tiene razón en encontrar nuestro sitio web que tiene una colección completa de manuales enumerados.
Nuestra biblioteca es la más grande de estas que tiene literalmente cientos de miles de productos diferentes representados.

Finalmente recibí este libro electrónico, ¡gracias por todas estas respuestas de lectura dirigida de Holt Biology Capítulo 16 que puedo obtener ahora!

No pensé que esto funcionaría, mi mejor amigo me mostró este sitio web, ¡y funciona! Obtengo mi eBook más buscado

¡¿Qué es este gran libro electrónico gratis ?!

¡Mis amigos están tan enojados que no saben cómo tengo todos los libros electrónicos de alta calidad que ellos no saben!

Es muy fácil obtener libros electrónicos de calidad)

tantos sitios falsos. este es el primero que funcionó! Muchas gracias

wtffff no entiendo esto!

Simplemente seleccione su botón de clic y luego descargar, y complete una oferta para comenzar a descargar el libro electrónico. Si hay una encuesta, solo toma 5 minutos, pruebe cualquier encuesta que funcione para usted.


Contenido

Las mitocondrias pueden tener varias formas diferentes. [23] Una mitocondria contiene membranas externas e internas compuestas por bicapas de fosfolípidos y proteínas. [17] Las dos membranas tienen propiedades diferentes. Debido a esta organización de doble membrana, hay cinco partes distintas en una mitocondria:

  1. La membrana mitocondrial externa,
  2. El espacio intermembrana (el espacio entre las membranas externa e interna),
  3. La membrana mitocondrial interna,
  4. El espacio de las crestas (formado por pliegues de la membrana interna), y
  5. La matriz (espacio dentro de la membrana interna), que es un fluido.

Las mitocondrias se pliegan para aumentar el área de superficie, lo que a su vez aumenta la producción de ATP (trifosfato de adenosina). Las mitocondrias despojadas de su membrana externa se denominan mitoplastos.

Membrana exterior Editar

los membrana mitocondrial externa, que encierra todo el orgánulo, tiene un grosor de 60 a 75 angstroms (Å). Tiene una proporción de proteína a fosfolípido similar a la de la membrana celular (aproximadamente 1: 1 en peso). Contiene una gran cantidad de proteínas integrales de membrana llamadas porinas. Una de las principales proteínas de tráfico es el canal aniónico dependiente de voltaje formador de poros (VDAC). El VDAC es el transportador principal de nucleótidos, iones y metabolitos entre el citosol y el espacio intermembrana. [24] [25] Se forma como un barril beta que atraviesa la membrana externa, similar al de la membrana bacteriana gramnegativa. [26] Las proteínas más grandes pueden ingresar a la mitocondria si una secuencia de señalización en su extremo N-terminal se une a una proteína grande de múltiples subunidades llamada translocasa en la membrana externa, que luego las mueve activamente a través de la membrana. [27] Las proproteínas mitocondriales se importan a través de complejos de translocación especializados.

La membrana externa también contiene enzimas involucradas en actividades tan diversas como el alargamiento de los ácidos grasos, la oxidación de la epinefrina y la degradación del triptófano. Estas enzimas incluyen monoamino oxidasa, NADH-citocromo c-reductasa insensible a rotenona, quinurenina hidroxilasa y co-A ligasa de ácido graso. La alteración de la membrana externa permite que las proteínas del espacio intermembrana se filtren al citosol, lo que conduce a la muerte celular. [28] La membrana externa mitocondrial puede asociarse con la membrana del retículo endoplásmico (ER), en una estructura llamada MAM (membrana ER asociada a mitocondrias). Esto es importante en la señalización del calcio ER-mitocondrias y está involucrado en la transferencia de lípidos entre el ER y las mitocondrias. [29] Fuera de la membrana externa hay partículas pequeñas (diámetro: 60 Å) llamadas subunidades de Parson.

Espacio intermembrana Editar

los espacio intermembrana mitocondrial es el espacio entre la membrana exterior y la membrana interior. También se conoce como espacio perimitocondrial. Debido a que la membrana externa es libremente permeable a las moléculas pequeñas, las concentraciones de moléculas pequeñas, como iones y azúcares, en el espacio intermembrana son las mismas que en el citosol. [17] Sin embargo, las proteínas grandes deben tener una secuencia de señalización específica para ser transportadas a través de la membrana externa, por lo que la composición de proteínas de este espacio es diferente de la composición de proteínas del citosol. Una proteína que se localiza en el espacio intermembrana de esta manera es el citocromo c. [28]

Membrana interior Editar

La membrana mitocondrial interna contiene proteínas con tres tipos de funciones: [17]

  1. Aquellos que realizan reacciones redox en cadena de transporte de electrones, que genera ATP en la matriz.
  2. Proteínas de transporte específicas que regulan el paso de metabolitos dentro y fuera de la matriz mitocondrial

Contiene más de 151 polipéptidos diferentes y tiene una relación proteína / fosfolípido muy alta (más de 3: 1 en peso, que es aproximadamente 1 proteína por 15 fosfolípidos). La membrana interna alberga alrededor de 1/5 de la proteína total en una mitocondria. [30] Además, la membrana interna es rica en un fosfolípido inusual, la cardiolipina. Este fosfolípido se descubrió originalmente en corazones de vaca en 1942 y suele ser característico de las membranas plasmáticas mitocondriales y bacterianas. [31] La cardiolipina contiene cuatro ácidos grasos en lugar de dos, y puede ayudar a impermeabilizar la membrana interna. [17] A diferencia de la membrana exterior, la membrana interior no contiene porinas y es muy impermeable a todas las moléculas. Casi todos los iones y moléculas requieren transportadores de membrana especiales para entrar o salir de la matriz. Las proteínas se transportan a la matriz a través de la translocasa del complejo de la membrana interna (TIM) o mediante OXA1L. [27] Además, existe un potencial de membrana a través de la membrana interna, formado por la acción de las enzimas de la cadena de transporte de electrones. La fusión de la membrana interna está mediada por la proteína de la membrana interna OPA1. [32]

Cristae Editar

La membrana mitocondrial interna está compartimentada en numerosos pliegues llamados crestas, que expanden el área de la superficie de la membrana mitocondrial interna, mejorando su capacidad para producir ATP. Para las mitocondrias hepáticas típicas, el área de la membrana interna es aproximadamente cinco veces más grande que la membrana externa. Esta proporción es variable y las mitocondrias de las células que tienen una mayor demanda de ATP, como las células musculares, contienen aún más crestas. Las mitocondrias dentro de la misma célula pueden tener una densidad de cresta sustancialmente diferente, y las que se requieren para producir más energía tienen mucha más superficie de membrana de cresta. [33] Estos pliegues están tachonados con pequeños cuerpos redondos conocidos como F1 partículas u oxisomas. [34]

Matriz de edición

La matriz es el espacio encerrado por la membrana interna. Contiene aproximadamente 2/3 de las proteínas totales en una mitocondria. [17] La ​​matriz es importante en la producción de ATP con la ayuda de la ATP sintasa contenida en la membrana interna. La matriz contiene una mezcla altamente concentrada de cientos de enzimas, ribosomas mitocondriales especiales, ARNt y varias copias del genoma del ADN mitocondrial. De las enzimas, las funciones principales incluyen la oxidación del piruvato y los ácidos grasos, y el ciclo del ácido cítrico. [17] Las moléculas de ADN se empaquetan en nucleoides mediante proteínas, una de las cuales es TFAM. [35]

Las funciones más destacadas de las mitocondrias son producir la moneda de energía de la célula, ATP (es decir, fosforilación de ADP), a través de la respiración y regular el metabolismo celular. [18] El conjunto central de reacciones involucradas en la producción de ATP se conoce colectivamente como ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs. Sin embargo, la mitocondria tiene muchas otras funciones además de la producción de ATP.

Conversión de energía Editar

Un papel dominante de las mitocondrias es la producción de ATP, como lo refleja la gran cantidad de proteínas en la membrana interna para esta tarea. Esto se hace oxidando los principales productos de la glucosa: piruvato y NADH, que se producen en el citosol. [18] Este tipo de respiración celular, conocida como respiración aeróbica, depende de la presencia de oxígeno, que proporciona la mayor parte de la energía liberada. [36] Cuando el oxígeno es limitado, los productos glicolíticos serán metabolizados por fermentación anaeróbica, un proceso que es independiente de las mitocondrias. [18] La producción de ATP a partir de glucosa y oxígeno tiene un rendimiento aproximadamente 13 veces mayor durante la respiración aeróbica en comparación con la fermentación. [37] Las mitocondrias de las plantas también pueden producir una cantidad limitada de ATP ya sea rompiendo el azúcar producido durante la fotosíntesis o sin oxígeno usando el sustrato alternativo nitrito. [38] El ATP atraviesa la membrana interna con la ayuda de una proteína específica y atraviesa la membrana externa a través de las porinas. [39] ADP regresa por la misma ruta.

El piruvato y el ciclo del ácido cítrico Editar

Las moléculas de piruvato producidas por la glucólisis se transportan activamente a través de la membrana mitocondrial interna y hacia la matriz, donde pueden oxidarse y combinarse con la coenzima A para formar CO2, acetil-CoA y NADH, [18] o pueden ser carboxilados (por piruvato carboxilasa) para formar oxalacetato. Esta última reacción "llena" la cantidad de oxaloacetato en el ciclo del ácido cítrico y, por lo tanto, es una reacción anaplerótica que aumenta la capacidad del ciclo para metabolizar la acetil-CoA cuando las necesidades de energía del tejido (por ejemplo, en el músculo) aumentan repentinamente por la actividad. [40]

En el ciclo del ácido cítrico, todos los intermedios (por ejemplo, citrato, iso-citrato, alfa-cetoglutarato, succinato, fumarato, malato y oxalacetato) se regeneran durante cada vuelta del ciclo. Agregar más de cualquiera de estos intermedios a la mitocondria significa, por lo tanto, que la cantidad adicional se retiene dentro del ciclo, aumentando todos los demás intermedios a medida que uno se convierte en el otro. Por tanto, la adición de cualquiera de ellos al ciclo tiene un efecto anaplerótico y su eliminación tiene un efecto cataplerótico. Estas reacciones anapleróticas y catapleróticas aumentarán o disminuirán, durante el curso del ciclo, la cantidad de oxaloacetato disponible para combinar con acetil-CoA para formar ácido cítrico. Esto, a su vez, aumenta o disminuye la tasa de producción de ATP por la mitocondria y, por lo tanto, la disponibilidad de ATP para la célula. [40]

La acetil-CoA, por otro lado, derivada de la oxidación del piruvato, o de la beta-oxidación de ácidos grasos, es el único combustible que ingresa al ciclo del ácido cítrico. Con cada vuelta del ciclo, se consume una molécula de acetil-CoA por cada molécula de oxaloacetato presente en la matriz mitocondrial y nunca se regenera. Es la oxidación de la porción de acetato de acetil-CoA lo que produce CO2 y agua, con la energía así liberada capturada en forma de ATP. [40]

En el hígado, la carboxilación del piruvato citosólico en oxaloacetato intramitocondrial es un paso temprano en la vía gluconeogénica, que convierte el lactato y la alanina desaminada en glucosa, [18] [40] bajo la influencia de niveles altos de glucagón y / o epinefrina en la sangre. [40] Aquí, la adición de oxaloacetato a la mitocondria no tiene un efecto anaplerótico neto, ya que otro intermedio del ciclo del ácido cítrico (malato) se elimina inmediatamente de la mitocondria para convertirse en oxaloacetato citosólico, que finalmente se convierte en glucosa, en un proceso que es casi el reverso de la glucólisis. [40]

Las enzimas del ciclo del ácido cítrico se encuentran en la matriz mitocondrial, con la excepción de la succinato deshidrogenasa, que está unida a la membrana mitocondrial interna como parte del Complejo II. [41] El ciclo del ácido cítrico oxida la acetil-CoA a dióxido de carbono y, en el proceso, produce cofactores reducidos (tres moléculas de NADH y una molécula de FADH2) que son una fuente de electrones para la cadena de transporte de electrones y una molécula de GTP (que se convierte fácilmente en ATP). [18]

NADH y FADH2: la cadena de transporte de electrones Editar

Los electrones de NADH y FADH2 se transfieren a oxígeno (O2), una molécula rica en energía, [36] e hidrógeno (protones) en varios pasos a través de la cadena de transporte de electrones. NADH y FADH2 Las moléculas se producen dentro de la matriz a través del ciclo del ácido cítrico, pero también se producen en el citoplasma por glucólisis. Los equivalentes reductores del citoplasma pueden importarse a través del sistema lanzadera malato-aspartato de proteínas antiportadoras o alimentarse en la cadena de transporte de electrones utilizando una lanzadera de fosfato de glicerol. [18] Los complejos de proteínas en la membrana interna (NADH deshidrogenasa (ubiquinona), citocromo c reductasa y citocromo c oxidasa) realizan la transferencia y la liberación incremental de energía se utiliza para bombear protones (H +) al espacio intermembrana. Este proceso es eficiente, pero un pequeño porcentaje de electrones puede reducir prematuramente el oxígeno, formando especies reactivas de oxígeno como el superóxido. [18] Esto puede causar estrés oxidativo en las mitocondrias y puede contribuir a la disminución de la función mitocondrial asociada con el proceso de envejecimiento. [42]

A medida que aumenta la concentración de protones en el espacio intermembrana, se establece un fuerte gradiente electroquímico a través de la membrana interna. Los protones pueden regresar a la matriz a través del complejo de ATP sintasa y su energía potencial se utiliza para sintetizar ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico (PI). [18] Este proceso se llama quimiosmosis y fue descrito por primera vez por Peter Mitchell, [43] [44] quien recibió el Premio Nobel de Química de 1978 por su trabajo. Posteriormente, parte del Premio Nobel de Química de 1997 fue otorgado a Paul D. Boyer y John E. Walker por su aclaración del mecanismo de trabajo de la ATP sintasa. [45]

Producción de calor Editar

En determinadas condiciones, los protones pueden volver a entrar en la matriz mitocondrial sin contribuir a la síntesis de ATP. Este proceso se conoce como fuga de protones o desacoplamiento mitocondrial y se debe a la difusión facilitada de protones en la matriz. El proceso da como resultado que la energía potencial no aprovechada del gradiente electroquímico de protones se libere en forma de calor. [18] El proceso está mediado por un canal de protones llamado termogenina o UCP1. [46] La termogenina se encuentra principalmente en el tejido adiposo pardo, o grasa parda, y es responsable de la termogénesis sin escalofríos. El tejido adiposo marrón se encuentra en los mamíferos y se encuentra en sus niveles más altos en la vida temprana y en los animales que hibernan. En los seres humanos, el tejido adiposo marrón está presente al nacer y disminuye con la edad. [46]

Almacenamiento de iones de calcio Editar

Las concentraciones de calcio libre en la célula pueden regular una serie de reacciones y es importante para la transducción de señales en la célula. Las mitocondrias pueden almacenar calcio de forma transitoria, un proceso que contribuye a la homeostasis del calcio en las células. [47] [48] Su capacidad para absorber calcio rápidamente para su posterior liberación los convierte en buenos "amortiguadores citosólicos" para el calcio. [49] [50] [51] El retículo endoplásmico (RE) es el sitio de almacenamiento más importante de calcio, [52] y existe una interacción significativa entre la mitocondria y el RE con respecto al calcio. [53] El calcio es absorbido por la matriz por el uniportador de calcio mitocondrial en la membrana mitocondrial interna. [54] Es impulsado principalmente por el potencial de la membrana mitocondrial. [48] ​​La liberación de este calcio de regreso al interior de la célula puede ocurrir a través de una proteína de intercambio de sodio-calcio o por vías de "liberación de calcio inducida por calcio". [54] Esto puede iniciar picos de calcio u ondas de calcio con grandes cambios en el potencial de membrana. Estos pueden activar una serie de proteínas del sistema de segundos mensajeros que pueden coordinar procesos como la liberación de neurotransmisores en las células nerviosas y la liberación de hormonas en las células endocrinas. [55]

La afluencia de Ca 2+ a la matriz mitocondrial se ha implicado recientemente como un mecanismo para regular la bioenergética respiratoria al permitir que el potencial electroquímico a través de la membrana "pulse" transitoriamente de dominado por ΔΨ a dominado por pH, facilitando una reducción del estrés oxidativo. [56] En las neuronas, los aumentos concomitantes del calcio mitocondrial y citosólico actúan para sincronizar la actividad neuronal con el metabolismo energético mitocondrial. Los niveles de calcio de la matriz mitocondrial pueden alcanzar decenas de niveles micromolares, que es necesario para la activación de la isocitrato deshidrogenasa, una de las enzimas reguladoras clave del ciclo de Krebs. [57]

Regulación de la proliferación celular Editar

Se ha investigado la relación entre la proliferación celular y las mitocondrias. Las células tumorales requieren una gran cantidad de ATP para sintetizar compuestos bioactivos como lípidos, proteínas y nucleótidos para una rápida proliferación. [58] La mayor parte del ATP en las células tumorales se genera a través de la vía de fosforilación oxidativa (OxPhos). [59] La interferencia con OxPhos causa la detención del ciclo celular, lo que sugiere que las mitocondrias juegan un papel en la proliferación celular. [59] La producción de ATP mitocondrial también es vital para la división y diferenciación celular en la infección [60], además de las funciones básicas en la célula, incluida la regulación del volumen celular, la concentración de solutos y la arquitectura celular. [61] [62] [63] Los niveles de ATP difieren en varias etapas del ciclo celular, lo que sugiere que existe una relación entre la abundancia de ATP y la capacidad de la célula para ingresar a un nuevo ciclo celular. [64] El papel del ATP en las funciones básicas de la célula hace que el ciclo celular sea sensible a los cambios en la disponibilidad de ATP derivado de las mitocondrias. [64] La variación en los niveles de ATP en diferentes etapas del ciclo celular apoya la hipótesis de que las mitocondrias juegan un papel importante en la regulación del ciclo celular. [64] Aunque los mecanismos específicos entre las mitocondrias y la regulación del ciclo celular no se comprenden bien, los estudios han demostrado que los puntos de control del ciclo celular de baja energía controlan la capacidad energética antes de comprometerse con otra ronda de división celular. [9]

Funciones adicionales Editar

Las mitocondrias juegan un papel central en muchas otras tareas metabólicas, como:

  • Señalización a través de especies de oxígeno reactivas mitocondriales [65]
  • Regulación del potencial de membrana [18] -muerte celular programada [66]
  • Señalización de calcio (incluida la apoptosis provocada por calcio) [67]
  • Regulación del metabolismo celular [9]
  • Ciertas reacciones de síntesis de hemo [68](ver también: porfirina) síntesis. [49]
  • Señalización hormonal [69] Las mitocondrias son sensibles y responden a las hormonas, en parte por la acción de los receptores de estrógenos mitocondriales (mtER). Estos receptores se han encontrado en varios tejidos y tipos de células, incluidos el cerebro [70] y el corazón [71].
  • Señalización inmunitaria [72]
  • Las mitocondrias neuronales también contribuyen al control de la calidad celular al informar el estado neuronal hacia la microglía a través de uniones somáticas especializadas. [73]

Algunas funciones mitocondriales se realizan solo en tipos específicos de células. Por ejemplo, las mitocondrias en las células del hígado contienen enzimas que les permiten desintoxicar el amoníaco, un producto de desecho del metabolismo de las proteínas. Una mutación en los genes que regulan cualquiera de estas funciones puede resultar en enfermedades mitocondriales.

Las mitocondrias (y estructuras relacionadas) se encuentran en todos los eucariotas (excepto dos: la Oxymonad Monocercomonoides y Henneguya salminicola). [5] [6] [7] [74] Aunque comúnmente se describen como estructuras similares a frijoles, forman una red altamente dinámica en la mayoría de las células donde constantemente se someten a fisión y fusión. La población de todas las mitocondrias de una célula determinada constituye el condrioma. [75] Las mitocondrias varían en número y ubicación según el tipo de célula. Una sola mitocondria se encuentra a menudo en organismos unicelulares, mientras que las células del hígado humano tienen alrededor de 1000-2000 mitocondrias por célula, lo que constituye 1/5 del volumen celular. [17] El contenido mitocondrial de células similares puede variar sustancialmente en tamaño y potencial de membrana, [76] con diferencias que surgen de fuentes que incluyen partición desigual en las divisiones celulares, lo que lleva a diferencias extrínsecas en los niveles de ATP y procesos celulares posteriores. [77] Las mitocondrias se pueden encontrar ubicadas entre las miofibrillas del músculo o envueltas alrededor del flagelo del esperma. [17] A menudo, forman una compleja red de ramificación 3D dentro de la célula con el citoesqueleto. The association with the cytoskeleton determines mitochondrial shape, which can affect the function as well: [78] different structures of the mitochondrial network may afford the population a variety of physical, chemical, and signalling advantages or disadvantages. [79] Mitochondria in cells are always distributed along microtubules and the distribution of these organelles is also correlated with the endoplasmic reticulum. [80] Recent evidence suggests that vimentin, one of the components of the cytoskeleton, is also critical to the association with the cytoskeleton. [81]

Mitochondria-associated ER membrane (MAM) Edit

The mitochondria-associated ER membrane (MAM) is another structural element that is increasingly recognized for its critical role in cellular physiology and homeostasis. Once considered a technical snag in cell fractionation techniques, the alleged ER vesicle contaminants that invariably appeared in the mitochondrial fraction have been re-identified as membranous structures derived from the MAM—the interface between mitochondria and the ER. [82] Physical coupling between these two organelles had previously been observed in electron micrographs and has more recently been probed with fluorescence microscopy. [82] Such studies estimate that at the MAM, which may comprise up to 20% of the mitochondrial outer membrane, the ER and mitochondria are separated by a mere 10–25 nm and held together by protein tethering complexes. [82] [29] [83]

Purified MAM from subcellular fractionation is enriched in enzymes involved in phospholipid exchange, in addition to channels associated with Ca 2+ signaling. [82] [83] These hints of a prominent role for the MAM in the regulation of cellular lipid stores and signal transduction have been borne out, with significant implications for mitochondrial-associated cellular phenomena, as discussed below. Not only has the MAM provided insight into the mechanistic basis underlying such physiological processes as intrinsic apoptosis and the propagation of calcium signaling, but it also favors a more refined view of the mitochondria. Though often seen as static, isolated 'powerhouses' hijacked for cellular metabolism through an ancient endosymbiotic event, the evolution of the MAM underscores the extent to which mitochondria have been integrated into overall cellular physiology, with intimate physical and functional coupling to the endomembrane system.

Phospholipid transfer Edit

The MAM is enriched in enzymes involved in lipid biosynthesis, such as phosphatidylserine synthase on the ER face and phosphatidylserine decarboxylase on the mitochondrial face. [84] [85] Because mitochondria are dynamic organelles constantly undergoing fission and fusion events, they require a constant and well-regulated supply of phospholipids for membrane integrity. [86] [87] But mitochondria are not only a destination for the phospholipids they finish synthesis of rather, this organelle also plays a role in inter-organelle trafficking of the intermediates and products of phospholipid biosynthetic pathways, ceramide and cholesterol metabolism, and glycosphingolipid anabolism. [85] [87]

Such trafficking capacity depends on the MAM, which has been shown to facilitate transfer of lipid intermediates between organelles. [84] In contrast to the standard vesicular mechanism of lipid transfer, evidence indicates that the physical proximity of the ER and mitochondrial membranes at the MAM allows for lipid flipping between opposed bilayers. [87] Despite this unusual and seemingly energetically unfavorable mechanism, such transport does not require ATP. [87] Instead, in yeast, it has been shown to be dependent on a multiprotein tethering structure termed the ER-mitochondria encounter structure, or ERMES, although it remains unclear whether this structure directly mediates lipid transfer or is required to keep the membranes in sufficiently close proximity to lower the energy barrier for lipid flipping. [87] [88]

The MAM may also be part of the secretory pathway, in addition to its role in intracellular lipid trafficking. In particular, the MAM appears to be an intermediate destination between the rough ER and the Golgi in the pathway that leads to very-low-density lipoprotein, or VLDL, assembly and secretion. [85] [89] The MAM thus serves as a critical metabolic and trafficking hub in lipid metabolism.

Calcium signaling Edit

A critical role for the ER in calcium signaling was acknowledged before such a role for the mitochondria was widely accepted, in part because the low affinity of Ca 2+ channels localized to the outer mitochondrial membrane seemed to contradict this organelle's purported responsiveness to changes in intracellular Ca 2+ flux. [82] [52] But the presence of the MAM resolves this apparent contradiction: the close physical association between the two organelles results in Ca 2+ microdomains at contact points that facilitate efficient Ca 2+ transmission from the ER to the mitochondria. [82] Transmission occurs in response to so-called "Ca 2+ puffs" generated by spontaneous clustering and activation of IP3R, a canonical ER membrane Ca 2+ channel. [82] [29]

The fate of these puffs—in particular, whether they remain restricted to isolated locales or integrated into Ca 2+ waves for propagation throughout the cell—is determined in large part by MAM dynamics. Although reuptake of Ca 2+ by the ER (concomitant with its release) modulates the intensity of the puffs, thus insulating mitochondria to a certain degree from high Ca 2+ exposure, the MAM often serves as a firewall that essentially buffers Ca 2+ puffs by acting as a sink into which free ions released into the cytosol can be funneled. [82] [90] [91] This Ca 2+ tunneling occurs through the low-affinity Ca 2+ receptor VDAC1, which recently has been shown to be physically tethered to the IP3R clusters on the ER membrane and enriched at the MAM. [82] [29] [92] The ability of mitochondria to serve as a Ca 2+ sink is a result of the electrochemical gradient generated during oxidative phosphorylation, which makes tunneling of the cation an exergonic process. [92] Normal, mild calcium influx from cytosol into the mitochondrial matrix causes transient depolarization that is corrected by pumping out protons.

But transmission of Ca 2+ is not unidirectional rather, it is a two-way street. [52] The properties of the Ca 2+ pump SERCA and the channel IP3R present on the ER membrane facilitate feedback regulation coordinated by MAM function. In particular, the clearance of Ca 2+ by the MAM allows for spatio-temporal patterning of Ca 2+ signaling because Ca 2+ alters IP3R activity in a biphasic manner. [82] SERCA is likewise affected by mitochondrial feedback: uptake of Ca 2+ by the MAM stimulates ATP production, thus providing energy that enables SERCA to reload the ER with Ca 2+ for continued Ca 2+ efflux at the MAM. [90] [92] Thus, the MAM is not a passive buffer for Ca 2+ puffs rather it helps modulate further Ca 2+ signaling through feedback loops that affect ER dynamics.

Regulating ER release of Ca 2+ at the MAM is especially critical because only a certain window of Ca 2+ uptake sustains the mitochondria, and consequently the cell, at homeostasis. Sufficient intraorganelle Ca 2+ signaling is required to stimulate metabolism by activating dehydrogenase enzymes critical to flux through the citric acid cycle. [93] [94] However, once Ca 2+ signaling in the mitochondria passes a certain threshold, it stimulates the intrinsic pathway of apoptosis in part by collapsing the mitochondrial membrane potential required for metabolism. [82] Studies examining the role of pro- and anti-apoptotic factors support this model for example, the anti-apoptotic factor Bcl-2 has been shown to interact with IP3Rs to reduce Ca 2+ filling of the ER, leading to reduced efflux at the MAM and preventing collapse of the mitochondrial membrane potential post-apoptotic stimuli. [82] Given the need for such fine regulation of Ca 2+ signaling, it is perhaps unsurprising that dysregulated mitochondrial Ca 2+ has been implicated in several neurodegenerative diseases, while the catalogue of tumor suppressors includes a few that are enriched at the MAM. [92]

Molecular basis for tethering Edit

Recent advances in the identification of the tethers between the mitochondrial and ER membranes suggest that the scaffolding function of the molecular elements involved is secondary to other, non-structural functions. In yeast, ERMES, a multiprotein complex of interacting ER- and mitochondrial-resident membrane proteins, is required for lipid transfer at the MAM and exemplifies this principle. One of its components, for example, is also a constituent of the protein complex required for insertion of transmembrane beta-barrel proteins into the lipid bilayer. [87] However, a homologue of the ERMES complex has not yet been identified in mammalian cells. Other proteins implicated in scaffolding likewise have functions independent of structural tethering at the MAM for example, ER-resident and mitochondrial-resident mitofusins form heterocomplexes that regulate the number of inter-organelle contact sites, although mitofusins were first identified for their role in fission and fusion events between individual mitochondria. [82] Glucose-related protein 75 (grp75) is another dual-function protein. In addition to the matrix pool of grp75, a portion serves as a chaperone that physically links the mitochondrial and ER Ca 2+ channels VDAC and IP3R for efficient Ca 2+ transmission at the MAM. [82] [29] Another potential tether is Sigma-1R, a non-opioid receptor whose stabilization of ER-resident IP3R may preserve communication at the MAM during the metabolic stress response. [95] [96]

Perspective Edit

The MAM is a critical signaling, metabolic, and trafficking hub in the cell that allows for the integration of ER and mitochondrial physiology. Coupling between these organelles is not simply structural but functional as well and critical for overall cellular physiology and homeostasis. The MAM thus offers a perspective on mitochondria that diverges from the traditional view of this organelle as a static, isolated unit appropriated for its metabolic capacity by the cell. [97] Instead, this mitochondrial-ER interface emphasizes the integration of the mitochondria, the product of an endosymbiotic event, into diverse cellular processes. Recently it has also been shown, that mitochondria and MAM-s in neurons are anchored to specialised intercellular communication sites (so called somatic-junctions). Microglial processes monitor and protect neuronal functions at these sites, and MAM-s are supposed to have an important role in this type of cellular quality-control. [73]

There are two hypotheses about the origin of mitochondria: endosymbiotic and autogenous. The endosymbiotic hypothesis suggests that mitochondria were originally prokaryotic cells, capable of implementing oxidative mechanisms that were not possible for eukaryotic cells they became endosymbionts living inside the eukaryote. [98] In the autogenous hypothesis, mitochondria were born by splitting off a portion of DNA from the nucleus of the eukaryotic cell at the time of divergence with the prokaryotes this DNA portion would have been enclosed by membranes, which could not be crossed by proteins. Since mitochondria have many features in common with bacteria, the endosymbiotic hypothesis is more widely accepted. [98] [99]

A mitochondrion contains DNA, which is organized as several copies of a single, usually circular chromosome. This mitochondrial chromosome contains genes for redox proteins, such as those of the respiratory chain. The CoRR hypothesis proposes that this co-location is required for redox regulation. The mitochondrial genome codes for some RNAs of ribosomes, and the 22 tRNAs necessary for the translation of mRNAs into protein. The circular structure is also found in prokaryotes. The proto-mitochondrion was probably closely related to Rickettsia. [100] [101] However, the exact relationship of the ancestor of mitochondria to the alphaproteobacteria and whether the mitochondrion was formed at the same time or after the nucleus, remains controversial. [102] For example, it has been suggested that the SAR11 clade of bacteria shares a relatively recent common ancestor with the mitochondria, [103] while phylogenomic analyses indicate that mitochondria evolved from a proteobacteria lineage that is closely related to or a member of alphaproteobacteria. [104] [105]

Subgroups Ib, II, IIIa, IIIb, IV and V

The ribosomes coded for by the mitochondrial DNA are similar to those from bacteria in size and structure. [107] They closely resemble the bacterial 70S ribosome and not the 80S cytoplasmic ribosomes, which are coded for by nuclear DNA.

The endosymbiotic relationship of mitochondria with their host cells was popularized by Lynn Margulis. [108] The endosymbiotic hypothesis suggests that mitochondria descended from bacteria that somehow survived endocytosis by another cell, and became incorporated into the cytoplasm. The ability of these bacteria to conduct respiration in host cells that had relied on glycolysis and fermentation would have provided a considerable evolutionary advantage. This symbiotic relationship probably developed 1.7 to 2 billion years ago. [109] [110] A few groups of unicellular eukaryotes have only vestigial mitochondria or derived structures: the microsporidians, metamonads, and archamoebae. [111] These groups appear as the most primitive eukaryotes on phylogenetic trees constructed using rRNA information, which once suggested that they appeared before the origin of mitochondria. However, this is now known to be an artifact of long-branch attraction—they are derived groups and retain genes or organelles derived from mitochondria (e. g., mitosomes and hydrogenosomes). [4] Hydrogenosomes, mitosomes, and related organelles as found in some loricifera (e. g. Spinoloricus) [112] [113] and myxozoa (e. g. Henneguya zschokkei) are together classified as MROs, mitochondrion-related organelles. [114] [115]

Monocercomonoides appear to have lost their mitochondria completely and at least some of the mitochondrial functions seem to be carried out by cytoplasmic proteins now. [116]

Mitochondria contain their own genome. los humano mitochondrial genome is a circular DNA molecule of about 16 kilobases. [117] It encodes 37 genes: 13 for subunits of respiratory complexes I, III, IV and V, 22 for mitochondrial tRNA (for the 20 standard amino acids, plus an extra gene for leucine and serine), and 2 for rRNA. [117] One mitochondrion can contain two to ten copies of its DNA. [118]

As in prokaryotes, there is a very high proportion of coding DNA and an absence of repeats. Mitochondrial genes are transcribed as multigenic transcripts, which are cleaved and polyadenylated to yield mature mRNAs. Most proteins necessary for mitochondrial function are encoded by genes in the cell nucleus and the corresponding proteins are imported into the mitochondrion. [119] The exact number of genes encoded by the nucleus and the mitochondrial genome differs between species. Most mitochondrial genomes are circular. [120] In general, mitochondrial DNA lacks introns, as is the case in the human mitochondrial genome [119] however, introns have been observed in some eukaryotic mitochondrial DNA, [121] such as that of yeast [122] and protists, [123] including Dictyostelium discoideum. [124] Between protein-coding regions, tRNAs are present. Mitochondrial tRNA genes have different sequences from the nuclear tRNAs but lookalikes of mitochondrial tRNAs have been found in the nuclear chromosomes with high sequence similarity. [125]

In animals, the mitochondrial genome is typically a single circular chromosome that is approximately 16 kb long and has 37 genes. The genes, while highly conserved, may vary in location. Curiously, this pattern is not found in the human body louse (Pediculus humanus). Instead, this mitochondrial genome is arranged in 18 minicircular chromosomes, each of which is 3–4 kb long and has one to three genes. [126] This pattern is also found in other sucking lice, but not in chewing lice. Recombination has been shown to occur between the minichromosomes.

Alternative genetic code Edit

Exceptions to the standard genetic code in mitochondria [17]
Organismo Codón Estándar Mitochondria
Mamíferos AGA, AGG Arginine Detener codón
Invertebrados AGA, AGG Arginine Serine
Fungi CUA Leucine Threonine
Todo lo anterior AUA Isoleucine Methionine
UGA Detener codón Triptófano

While slight variations on the standard genetic code had been predicted earlier, [127] none was discovered until 1979, when researchers studying human mitochondrial genes determined that they used an alternative code. [128] However, the mitochondria of many other eukaryotes, including most plants, use the standard code. [129] Many slight variants have been discovered since, [130] including various alternative mitochondrial codes. [131] Further, the AUA, AUC, and AUU codons are all allowable start codons.

Some of these differences should be regarded as pseudo-changes in the genetic code due to the phenomenon of RNA editing, which is common in mitochondria. In higher plants, it was thought that CGG encoded for tryptophan and not arginine however, the codon in the processed RNA was discovered to be the UGG codon, consistent with the standard genetic code for tryptophan. [132] Of note, the arthropod mitochondrial genetic code has undergone parallel evolution within a phylum, with some organisms uniquely translating AGG to lysine. [133]

Replication and inheritance Edit

Mitochondria divide by binary fission, similar to bacteria. [134] The regulation of this division differs between eukaryotes. In many single-celled eukaryotes, their growth and division are linked to the cell cycle. For example, a single mitochondrion may divide synchronously with the nucleus. This division and segregation process must be tightly controlled so that each daughter cell receives at least one mitochondrion. In other eukaryotes (in mammals for example), mitochondria may replicate their DNA and divide mainly in response to the energy needs of the cell, rather than in phase with the cell cycle. When the energy needs of a cell are high, mitochondria grow and divide. When energy use is low, mitochondria are destroyed or become inactive. In such examples mitochondria are apparently randomly distributed to the daughter cells during the division of the cytoplasm. Mitochondrial dynamics, the balance between mitochondrial fusion and fission, is an important factor in pathologies associated with several disease conditions. [135]

The hypothesis of mitochondrial binary fission has relied on the visualization by fluorescence microscopy and conventional transmission electron microscopy (TEM). The resolution of fluorescence microscopy (

200 nm) is insufficient to distinguish structural details, such as double mitochondrial membrane in mitochondrial division or even to distinguish individual mitochondria when several are close together. Conventional TEM has also some technical limitations [ ¿cuales? ] in verifying mitochondrial division. Cryo-electron tomography was recently used to visualize mitochondrial division in frozen hydrated intact cells. It revealed that mitochondria divide by budding. [136]

An individual's mitochondrial genes are inherited only from the mother, with rare exceptions. [137] In humans, when an egg cell is fertilized by a sperm, the mitochondria, and therefore the mitochondrial DNA, usually come from the egg only. The sperm's mitochondria enter the egg, but do not contribute genetic information to the embryo. [138] Instead, paternal mitochondria are marked with ubiquitin to select them for later destruction inside the embryo. [139] The egg cell contains relatively few mitochondria, but these mitochondria divide to populate the cells of the adult organism. This mode is seen in most organisms, including the majority of animals. However, mitochondria in some species can sometimes be inherited paternally. This is the norm among certain coniferous plants, although not in pine trees and yews. [140] For Mytilids, paternal inheritance only occurs within males of the species. [141] [142] [143] It has been suggested that it occurs at a very low level in humans. [144]

Uniparental inheritance leads to little opportunity for genetic recombination between different lineages of mitochondria, although a single mitochondrion can contain 2–10 copies of its DNA. [118] What recombination does take place maintains genetic integrity rather than maintaining diversity. However, there are studies showing evidence of recombination in mitochondrial DNA. It is clear that the enzymes necessary for recombination are present in mammalian cells. [145] Further, evidence suggests that animal mitochondria can undergo recombination. [146] The data are more controversial in humans, although indirect evidence of recombination exists. [147] [148]

Entities undergoing uniparental inheritance and with little to no recombination may be expected to be subject to Muller's ratchet, the accumulation of deleterious mutations until functionality is lost. Animal populations of mitochondria avoid this buildup through a developmental process known as the mtDNA bottleneck. The bottleneck exploits stochastic processes in the cell to increase in the cell-to-cell variability in mutant load as an organism develops: a single egg cell with some proportion of mutant mtDNA thus produces an embryo where different cells have different mutant loads. Cell-level selection may then act to remove those cells with more mutant mtDNA, leading to a stabilisation or reduction in mutant load between generations. The mechanism underlying the bottleneck is debated, [149] [150] [151] with a recent mathematical and experimental metastudy providing evidence for a combination of random partitioning of mtDNAs at cell divisions and random turnover of mtDNA molecules within the cell. [152]

DNA repair Edit

Mitochondria can repair oxidative DNA damage by mechanisms analogous to those occurring in the cell nucleus. The proteins employed in mtDNA repair are encoded by nuclear genes, and are translocated to the mitochondria. The DNA repair pathways in mammalian mitochondria include base excision repair, double-strand break repair, direct reversal and mismatch repair. [153] [154] Also DNA damages may be bypassed, rather than repaired, by translesion synthesis.

Of the several DNA repair process in mitochondria, the base excision repair pathway has been most comprehensively studied. [154] Base excision repair is carried out by a sequence of enzymatic catalyzed steps that include recognition and excision of a damaged DNA base, removal of the resulting abasic site, end processing, gap filling and ligation. A common damage in mtDNA that is repaired by base excision repair is 8-oxoguanine produced by the oxidation of guanine. [155]

Double-strand breaks can be repaired by homologous recombinational repair in both mammalian mtDNA [156] and plant mtDNA. [157] Double-strand breaks in mtDNA can also be repaired by microhomology-mediated end joining. [158] Although there is evidence for the repair processes of direct reversal and mismatch repair in mtDNA, these processes are not well characterized. [154]

Lack of mitochondrial DNA Edit

Some organisms have lost mitochondrial DNA altogether. In these cases, genes encoded by the mitochondrial DNA have been lost or transferred to the nucleus. [117] Cryptosporidium, have mitochondria that lack any DNA, presumably because all their genes have been lost or transferred. [159] In Cryptosporidium, the mitochondria have an altered ATP generation system that renders the parasite resistant to many classical mitochondrial inhibitors such as cyanide, azide, and atovaquone. [159] Mitochondria that lack their own DNA have been found in a marine parasitic dinoflagellate from the genus Amoebophyra. This microorganism, A. cerati, has functional mitochondria that lack a genome. [160] In related species, the mitochondrial genome still has three genes, but in A. cerati only a single mitochondrial gene — the cytochrome c oxidase I gene (cox1) — is found, and it has migrated to the genome of the nucleus. [161]

The near-absence of genetic recombination in mitochondrial DNA makes it a useful source of information for studying population genetics and evolutionary biology. [162] Because all the mitochondrial DNA is inherited as a single unit, or haplotype, the relationships between mitochondrial DNA from different individuals can be represented as a gene tree. Patterns in these gene trees can be used to infer the evolutionary history of populations. The classic example of this is in human evolutionary genetics, where the molecular clock can be used to provide a recent date for mitochondrial Eve. [163] [164] This is often interpreted as strong support for a recent modern human expansion out of Africa. [165] Another human example is the sequencing of mitochondrial DNA from Neanderthal bones. The relatively large evolutionary distance between the mitochondrial DNA sequences of Neanderthals and living humans has been interpreted as evidence for the lack of interbreeding between Neanderthals and modern humans. [166]

However, mitochondrial DNA reflects only the history of the females in a population. This can be partially overcome by the use of paternal genetic sequences, such as the non-recombining region of the Y-chromosome. [165]

Recent measurements of the molecular clock for mitochondrial DNA [167] reported a value of 1 mutation every 7884 years dating back to the most recent common ancestor of humans and apes, which is consistent with estimates of mutation rates of autosomal DNA (10 −8 per base per generation). [168]

Mitochondrial diseases Edit

Damage and subsequent dysfunction in mitochondria is an important factor in a range of human diseases due to their influence in cell metabolism. Mitochondrial disorders often present as neurological disorders, including autism. [15] They can also manifest as myopathy, diabetes, multiple endocrinopathy, and a variety of other systemic disorders. [169] Diseases caused by mutation in the mtDNA include Kearns–Sayre syndrome, MELAS syndrome and Leber's hereditary optic neuropathy. [170] In the vast majority of cases, these diseases are transmitted by a female to her children, as the zygote derives its mitochondria and hence its mtDNA from the ovum. Diseases such as Kearns-Sayre syndrome, Pearson syndrome, and progressive external ophthalmoplegia are thought to be due to large-scale mtDNA rearrangements, whereas other diseases such as MELAS syndrome, Leber's hereditary optic neuropathy, MERRF syndrome, and others are due to point mutations in mtDNA. [169]

In other diseases, defects in nuclear genes lead to dysfunction of mitochondrial proteins. This is the case in Friedreich's ataxia, hereditary spastic paraplegia, and Wilson's disease. [171] These diseases are inherited in a dominance relationship, as applies to most other genetic diseases. A variety of disorders can be caused by nuclear mutations of oxidative phosphorylation enzymes, such as coenzyme Q10 deficiency and Barth syndrome. [169] Environmental influences may interact with hereditary predispositions and cause mitochondrial disease. For example, there may be a link between pesticide exposure and the later onset of Parkinson's disease. [172] [173] Other pathologies with etiology involving mitochondrial dysfunction include schizophrenia, bipolar disorder, dementia, Alzheimer's disease, [174] [175] Parkinson's disease, epilepsy, stroke, cardiovascular disease, chronic fatigue syndrome, retinitis pigmentosa, and diabetes mellitus. [176] [177]

Mitochondria-mediated oxidative stress plays a role in cardiomyopathy in type 2 diabetics. Increased fatty acid delivery to the heart increases fatty acid uptake by cardiomyocytes, resulting in increased fatty acid oxidation in these cells. This process increases the reducing equivalents available to the electron transport chain of the mitochondria, ultimately increasing reactive oxygen species (ROS) production. ROS increases uncoupling proteins (UCPs) and potentiate proton leakage through the adenine nucleotide translocator (ANT), the combination of which uncouples the mitochondria. Uncoupling then increases oxygen consumption by the mitochondria, compounding the increase in fatty acid oxidation. This creates a vicious cycle of uncoupling furthermore, even though oxygen consumption increases, ATP synthesis does not increase proportionally because the mitochondria are uncoupled. Less ATP availability ultimately results in an energy deficit presenting as reduced cardiac efficiency and contractile dysfunction. To compound the problem, impaired sarcoplasmic reticulum calcium release and reduced mitochondrial reuptake limits peak cytosolic levels of the important signaling ion during muscle contraction. Decreased intra-mitochondrial calcium concentration increases dehydrogenase activation and ATP synthesis. So in addition to lower ATP synthesis due to fatty acid oxidation, ATP synthesis is impaired by poor calcium signaling as well, causing cardiac problems for diabetics. [178]

Relationships to aging Edit

There may be some leakage of the high-energy electrons in the respiratory chain to form reactive oxygen species. This was thought to result in significant oxidative stress in the mitochondria with high mutation rates of mitochondrial DNA. [179] Hypothesized links between aging and oxidative stress are not new and were proposed in 1956, [180] which was later refined into the mitochondrial free radical theory of aging. [181] A vicious cycle was thought to occur, as oxidative stress leads to mitochondrial DNA mutations, which can lead to enzymatic abnormalities and further oxidative stress.

A number of changes can occur to mitochondria during the aging process. [182] Tissues from elderly humans show a decrease in enzymatic activity of the proteins of the respiratory chain. [183] However, mutated mtDNA can only be found in about 0.2% of very old cells. [184] Large deletions in the mitochondrial genome have been hypothesized to lead to high levels of oxidative stress and neuronal death in Parkinson's disease. [185] Mitochondrial dysfunction has also been shown to occur in amyotrophic lateral sclerosis. [186] [187]

Since mitochondria cover a pivotal role in the ovarian function, by providing ATP necessary for the development from germinal vesicle to mature oocyte, a decreased mitochondria function can lead to inflammation, resulting in premature ovarian failure and accelerated ovarian aging. The caused dysfunction is then reflected both in quantitative (such as mtDNA copy number and mtDNA deletions), qualitative (such as mutations and strand breaks) and oxidative damages (such as dysfunctional mitochondria due to ROS), which are not only relevant in ovarian aging, but perturb oocyte-cumulus crosstalk in the ovary, are linked to genetic disorders (such as Fragile X) and can interfere with embryo selection. [188]

The first observations of intracellular structures that probably represented mitochondria were published in the 1840s. [189] Richard Altmann, in 1890, established them as cell organelles and called them "bioblasts". [189] [190] In 1898, Carl Benda coined the term "mitochondria" from the Greek μίτος , mitos, "thread", and χονδρίον , chondrion, "granule". [191] [189] [192] Leonor Michaelis discovered that Janus green can be used as a supravital stain for mitochondria in 1900. In 1904, Friedrich Meves, made the first recorded observation of mitochondria in plants in cells of the white waterlily, Nymphaea alba [189] [193] and in 1908, along with Claudius Regaud, suggested that they contain proteins and lipids. Benjamin F. Kingsbury, in 1912, first related them with cell respiration, but almost exclusively based on morphological observations. [189] In 1913, particles from extracts of guinea-pig liver were linked to respiration by Otto Heinrich Warburg, which he called "grana". Warburg and Heinrich Otto Wieland, who had also postulated a similar particle mechanism, disagreed on the chemical nature of the respiration. It was not until 1925, when David Keilin discovered cytochromes, that the respiratory chain was described. [189]

In 1939, experiments using minced muscle cells demonstrated that cellular respiration using one oxygen atom can form two adenosine triphosphate (ATP) molecules, and in 1941, the concept of the phosphate bonds of ATP being a form of energy in cellular metabolism was developed by Fritz Albert Lipmann. In the following years, the mechanism behind cellular respiration was further elaborated, although its link to the mitochondria was not known. [189] The introduction of tissue fractionation by Albert Claude allowed mitochondria to be isolated from other cell fractions and biochemical analysis to be conducted on them alone. In 1946, he concluded that cytochrome oxidase and other enzymes responsible for the respiratory chain were isolated to the mitochondria. Eugene Kennedy and Albert Lehninger discovered in 1948 that mitochondria are the site of oxidative phosphorylation in eukaryotes. Over time, the fractionation method was further developed, improving the quality of the mitochondria isolated, and other elements of cell respiration were determined to occur in the mitochondria. [189]

The first high-resolution electron micrographs appeared in 1952, replacing the Janus Green stains as the preferred way to visualize mitochondria. [189] This led to a more detailed analysis of the structure of the mitochondria, including confirmation that they were surrounded by a membrane. It also showed a second membrane inside the mitochondria that folded up in ridges dividing up the inner chamber and that the size and shape of the mitochondria varied from cell to cell.

The popular term "powerhouse of the cell" was coined by Philip Siekevitz in 1957. [3]

In 1967, it was discovered that mitochondria contained ribosomes. [194] In 1968, methods were developed for mapping the mitochondrial genes, with the genetic and physical map of yeast mitochondrial DNA completed in 1976. [189]